Devingen gerilim ve saat sıklığı ölçekleme

Devingen gerilim ve saat sıklığı ölçekleme (İngilizce: dynamic voltage and frequency scaling, DVFS; dinamik gerilim ve saat sıklığı —eski adıyla frekans— ölçekleme olarak da anılır), bir işlemci ya da tümleşik devrenin çalışması sırasında besleme gerilimini ve saat sıklığını iş yüküne göre değiştirerek güç tüketimini ve ısı üretimini azaltmayı amaçlayan bir güç yönetimi tekniğidir. Bilgisayar mimarisinde enerji verimliliğini artırmanın başlıca yöntemlerinden biridir ve dizüstü bilgisayarlardan akıllı telefonlara, sunuculardan grafik işlemcilerine kadar geniş bir yelpazede kullanılır.

Çalışma ilkesi
CMOS tabanlı sayısal devrelerde anahtarlama sırasında harcanan devingen güç (dinamik güç) yaklaşık olarak

P = C · V² · f

bağıntısıyla verilir; burada C yük sığası (kapasitans), V besleme gerilimi ve f saat sıklığıdır. Saat sıklığını düşürmek gücü doğrusal olarak azaltır; ancak en büyük kazanç gerilimin düşürülmesinden gelir, çünkü güç gerilimin karesiyle değişir. Bir devrenin kararlı çalışabileceği en yüksek saat sıklığı besleme gerilimine bağlı olduğundan, gerilim düşürüldüğünde saat sıklığının da düşürülmesi gerekir; bu nedenle iki büyüklük çoğunlukla birlikte ölçeklenir ve teknik bu yüzden gerilim ve saat sıklığı ölçekleme olarak adlandırılır.

İşlemci, yoğun iş yükünde yüksek gerilim ve saat sıklığında; boştayken ya da hafif yükte düşük gerilim ve saat sıklığında çalıştırılır. Yalnızca gerilimin ayarlandığı duruma devingen gerilim ölçekleme (DVS), yalnızca saat sıklığının ayarlandığı duruma devingen saat sıklığı ölçekleme (DFS) denir; ikisinin birlikte uygulanması DVFS'tir.

Motivasyon
2000'li yıllarda Dennard ölçeklemesinin sona ermesiyle, transistör boyutları küçülmeye devam etse de güç yoğunluğu artık sabit kalmaz oldu; bu durum işlemci saat sıklığının sınırsızca artırılmasını engelleyen güç duvarına yol açtı. DVFS, belirli bir güç ve ısı bütçesi içinde kalırken başarımı iş yüküne göre uyarlamanın temel yollarından biri hâline geldi. Günümüzde modern işlemcilerin, akıllı telefon yongalarının ve grafik işlemcilerinin neredeyse tamamı bir biçimde DVFS kullanır.

Tarihçe
İşlemcinin saat sıklığını ince taneli biçimde ayarlayarak önemli ölçüde enerji tasarrufu sağlanabileceği fikri, Mark Weiser ve arkadaşlarının 1994'te yayımladığı "Scheduling for Reduced CPU Energy" çalışmasıyla ortaya kondu; bu çalışma, işletim sistemi düzeyinde saat sıklığı ölçeklemenin temellerini attı. İlerleyen yıllarda teknik, ticari işlemcilere donanım desteğiyle yerleşti.

Uygulamalar
DVFS hem donanım hem de işletim sistemi düzeyinde gerçeklenir. Başlıca örnekler şunlardır:
Masaüstü ve sunucu işlemcileri: Intel'in SpeedStep ve AMD'nin Cool'n'Quiet / PowerNow! teknolojileri.
Mobil yongalar: Akıllı telefon ve tablet işlemcileri (özellikle ARM tabanlı yongalar) pil ömrünü uzatmak için yoğun biçimde DVFS kullanır; çoğu zaman büyük-küçük çekirdek (big.LITTLE) düzenleriyle birlikte çalışır.
Grafik işlemcileri: Modern grafik işlemcileri yüke göre gerilim ve saat sıklıklarını ayarlar.
İşletim sistemi yönetimi: İşletim sistemleri, iş yükünü izleyip çalışma noktasını seçen yöneticiler (örneğin Linux'taki cpufreq altyapısı) aracılığıyla DVFS'i denetler.
Modern yongalarda DVFS çoğu zaman çekirdek başına ya da etki alanı başına ayrı uygulanabilir.

Sınırlamalar
Gerilim ve saat sıklığı geçişleri anlık değildir; geçiş gecikmesi, çok sık ayar yapıldığında ek yük getirir. Ayrıca besleme gerilimi eşik gerilimine yaklaştıkça daha fazla düşürülemez; bu noktanın altında devre kararsızlaşır. Bazı durumlarda işi olabildiğince hızlı bitirip işlemciyi derin uyku durumuna almak (İngilizce: race-to-idle) DVFS'ten daha verimli olabilir.

Ayrıca bakınız
Devingen gerilim ölçekleme (DVS)
Devingen saat sıklığı ölçekleme (DFS)
Dennard ölçeklemesi
Güç duvarı

Kaynakça